Upload
vokiet
View
219
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.
Bestimmung der inhalativen Exposition gegenüber
Nanomaterialien am Arbeitsplatz Lutreinhaltung & Filtration
Christof Asbach
Fachtagung Nanotechnologie – traditioneller Arbeitsschutz für innovative Materialien?
Dresden, 30. September 2014
Christof Asbach 2
Warum Expositionsermittlung?
G E F Ä H R D U N G S -
E X P O S I T I O N
P O T E N Z I A L
in vitro / in vivo Biotesting
physiko- chemische Messung
Modellierung
RI S I K O
Unsicherheit Courtesy of H. Krug
Risiko = Exposition x Gefährdungspotenzial
Christof Asbach 3
Warum Expositionsermittlung?
Quelle: http://spectrum.ieee.org/image/1618678
Quelle: Mike Rogoff auf www.flickr.com
Exposition minimieren heißt
Risiken minimieren!
GEFÄHRDUNGS-
EXPOSITION
POTENzIAL
RISIKO
Christof Asbach 4
Herstellung
Que
lle: U
ni D
uE, I
VG
Weiter- verarbeitung
Que
lle: r
eife
nhau
ser-
et.c
om
Produktnutzung
Que
lle: u
s.12
3rf.c
om
Recycling Que
lle: /
ihop
.nu/
ronj
a/
files
/201
1/03
/recy
clin
g.jp
g Wann kann eine Exposition auftreten?
Exposition am Arbeitsplatz
Christof Asbach 7
Übersicht
• Hintergrund zur Expositionserfassung für Nanomaterialien
• Gestufter Ansatz zur Bestimmung der Exposition gegenüber luftgetragenen Nanomaterialien
• Messtechnik für expositionsbezogene Messungen – Stationäre Messtechnik – Tragbare Messtechnik – Personengetragene Messtechnik
• Ergebnisse von Arbeitsplatzmessungen • Zusammenfassung
Christof Asbach 8
Problem: Hintergundpartikel
Beispiel: Größenverteilung atmosphärischer Partikel
http://aerosol.ees.ufl.edu
Beispiel: Größenverteilung von Nanomaterialien
S. Anand et al., J. Aerosol Sci., 52: 18-32, 2012
Ubiquitärer Hintergrund und synthetische Nanomaterialien können gleiche Größen haben
Unterscheidung vom Hintergrund essentiell für
Expositionserfassung
Christof Asbach 9
Expositionserfassung
Tier 1 – Data Gathering
?Can the release of nanoscale particles into theworkplace air be reasonably excluded duringproduction, handling or prcessing?
Tier 2a.1 – Screening(e.g. with CPC)
no
?1
1Significant increaseof concentration overbackground?
Tier 3 – Expert Assessment(e.g. with SMPS, CPC, filter sampler, offline analysis)
?
Clear evidence of chemcialidentity of the ENM?
Take additional risk management measures tomitigate exposure
yes
?
Document and archive
Are risk management measuresefficient?
yes
Check after 2 years or in case of changes
no
yes
no2
2 no ENM from activity; chemical identityof ENM known; their origin is elsewhere
Tier 2a.2 – temporarymonitoring
Tier2b – permanent monitoring
?1no yes
?1
Maybe
no
yes yes
no
Back to tier 2
Tier 2a: Screening
Gleichzeitige oder sequentielle Messung der Partikelkonzentration im Hintergrund www.nanogem.de
Christof Asbach 10
Expositionserfassung
Tier 1 – Data Gathering
?Can the release of nanoscale particles into theworkplace air be reasonably excluded duringproduction, handling or prcessing?
Tier 2a.1 – Screening(e.g. with CPC)
no
?1
1Significant increaseof concentration overbackground?
Tier 3 – Expert Assessment(e.g. with SMPS, CPC, filter sampler, offline analysis)
?
Clear evidence of chemcialidentity of the ENM?
Take additional risk management measures tomitigate exposure
yes
?
Document and archive
Are risk management measuresefficient?
yes
Check after 2 years or in case of changes
no
yes
no2
2 no ENM from activity; chemical identityof ENM known; their origin is elsewhere
Tier 2a.2 – temporarymonitoring
Tier2b – permanent monitoring
?1no yes
?1
Maybe
no
yes yes
no
Back to tier 2
Tier 2b: Monitoring
www.nanogem.de
Christof Asbach 11
Expositionserfassung
Tier 1 – Data Gathering
?Can the release of nanoscale particles into theworkplace air be reasonably excluded duringproduction, handling or prcessing?
Tier 2a.1 – Screening(e.g. with CPC)
no
?1
1Significant increaseof concentration overbackground?
Tier 3 – Expert Assessment(e.g. with SMPS, CPC, filter sampler, offline analysis)
?
Clear evidence of chemcialidentity of the ENM?
Take additional risk management measures tomitigate exposure
yes
?
Document and archive
Are risk management measuresefficient?
yes
Check after 2 years or in case of changes
no
yes
no2
2 no ENM from activity; chemical identityof ENM known; their origin is elsewhere
Tier 2a.2 – temporarymonitoring
Tier2b – permanent monitoring
?1no yes
?1
Maybe
no
yes yes
no
Back to tier 2
Tier 3: „Expertenmessung “
Gleichzeitige oder sequentielle Messung der Partikelkonzentration im Hintergrund www.nanogem.de
Christof Asbach 12
Messgeräte – Tier 2
• Handheld Condensation Particle Counter C Bestimmt die Anzahlkonzentration >10 nm C Klein und tragbar, 6-8 h Batterielaufzeit C Genauigkeit ± 5% (Asbach et al., Ann. Occup. Hyg. , 56: 606-621, 2012)
D Begrenzt auf Konzentrationen < 100,000 #/cm³ D Alkoholreservoir muss alle 6-8 h nachgefüllt werden à nicht geeignet als permanenter Monitor
• Diffusionsauflader C Bestimmt die Anzahlkonzentration, lungendeponierbare
Oberflächenkonzentration und mittlere Partikelgröße C Klein und tragbar, 8 h Batterielaufzeit, 230 V möglich C Kann kontinuierlich über lange Zeit betrieben werden D Limitiert auf Größenbereich 20-300 nm (sonst ungenauer) D Genauigkeit ± 30% (Kaminiski et al., J. Aerosol Sci., 57: 156-178, 2013)
Christof Asbach 13
Messgeräte – Tier 3 Elektrische Mobilitätsspektrometer
• Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) C Anzahlgrößenverteilungen ~2.5 – 1000 nm C Höchste Genauigkeit (Kaminiski et al., J. Aerosol Sci., 57: 156-178, 2013)
C Hohe Größenauflösung D Niedrige Zeitauflösung (mehrere Minuten) D Aerosol muss stabil sein
• Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) C Anzahlgrößenverteilungen 5.6 – 560 nm C Hohe Zeitauflösung (1 s) D Niedrigere Genauigkeit und Größenauflösungauflösung
als SMPS D Eher geringe Datenqualität >100 nm
Christof Asbach 14
• Sammelt Partikel einer Polarität auf Substrat
• Substrate können aus Silizium (für REM), TEM Netz, Glaskohlen-stoff (for TXRF), etc. sein
• Depostionsfleck kann mittels der el. Feldstärke eingestellt werden
• Bisher existiert nur ein einziger ESP, der die Partikel auflädt
Dixkens and Fissan, Aerosol Sci. Technol. 30:438-453, 1999 Miller et al. Aerosol Sci. Technol. , 44: 417-427, 2010
Messgeräte – Tier 3 Elektrostatische Partikelsammler (ESP)
PSL Welding
CNT
Christof Asbach 15
Feldmessungen gemäß dem gestuften Ansatz
• Messungen an einer Pilotanlage am IUTA zur Gasphasensynthese von Nanopartikeln (bis ca. 5 kg/Tag)
Christof Asbach 16
• Messungen gemäß Stufe 2 (Screening und Monitoring) und Stufe 3
• Messorte Stufe 2: – Am Reaktor/in der Warte während der Synthese
– Im Absackbereich während der Absackung
– An offener Verrohrung während der Reinigung
Messorte
Christof Asbach 18
Monitoring
• Monitore (miniDiSCs) installiert unter der Decke im EG (Gitterrost) und oberhalb potenzieller Leckagen und in Ablufteinlass
Absackung Später 1. OG bei Rohrreinigung
Reaktor Abluft
Christof Asbach 19
Messstation für Hintergund
ESP mit Auflader
FMPS
SMPS
NSAM
Gemeinsamer Aerosoleinlass
Christof Asbach 20
Monitoringergebnisse (miniDiSC)
0.0E+00
2.0E+04
4.0E+04
6.0E+04
8.0E+04
1.0E+05
1.2E+05
1.4E+05
1.6E+05
1.8E+05
12.11. 14:24 13.11. 02:24 13.11. 14:24 14.11. 02:24 14.11. 14:24
Num
ber C
once
ntra
tion
[#/c
m³]
Time
Ventilation
Reactor
Bagging/Pipe cleaning
13.11. 08:45 – 10:30
13.11. 12:15 – 16:00
14.11. 11:10 – 12:45
Christof Asbach 21
Monitoring (miniDiSC) und Hintergrund (FMPS)
0.00E+00
1.00E+04
2.00E+04
3.00E+04
4.00E+04
5.00E+04
6.00E+04
7.00E+04
8.00E+04
0.0E+00
2.0E+04
4.0E+04
6.0E+04
8.0E+04
1.0E+05
1.2E+05
1.4E+05
1.6E+05
1.8E+05
12.11. 14:24 13.11. 02:24 13.11. 14:24 14.11. 02:24 14.11. 14:24
Num
ber C
once
ntra
tion
[#/c
m³]
Time
Ventilation
Reactor
Bagging/Pipe cleaning
Background outside enclosure
13.11. 08:45 – 10:30
13.11. 12:15 – 16:00
14.11. 11:10 – 12:45
Christof Asbach 22
0.0E+00
2.0E+04
4.0E+04
6.0E+04
8.0E+04
1.0E+05
1.2E+05
1.4E+05
1.6E+05
1.8E+05
12.11. 14:24 13.11. 02:24 13.11. 14:24 14.11. 02:24 14.11. 14:24
Num
ber C
once
ntra
tion
[#/c
m³]
Time
Ventilation
Reactor
Bagging/Pipe cleaning
Monitoring (miniDiSC)
Start of work day
Heating up of reactor
Nanoparticle production
Bagging Tube Cleaning
„Artificial“ leak
Background measurement Background measurement
Christof Asbach 23
• Es wurde keine Freisetzung aus der Anlage erwartet • Daher wurde eine Leckage simuliert, indem
gesundheitlich unbedenkliche Partikel (PSL and NaCl) in den Arbeitsplatz eingebracht wurden
• 12:09 – 13:14: 143 nm PSL; 16,000 #/cm³ 13:14 – 14:10: Atomizer aus 14:10 – 15:12: NaCl, Mode 195 nm, 3.6*106 #/cm³
Künstliche Leckage
Christof Asbach 25
Auswertung basierend auf miniDiSC am Reaktor
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0.0E+00
2.0E+04
4.0E+04
6.0E+04
8.0E+04
1.0E+05
1.2E+05
1.4E+05
1.6E+05
1.8E+05
2.0E+05
10:30 11:42 12:54 14:06 15:18 16:30
Num
ber C
once
ntra
tion
[#/c
m³]
Time
Ventilation
Reactor
Bagging
PSL 143 nm Atomizeroff
NaCl
Hintergund vor PSL
32.794 ± 1120 #/cm³
Konzentration während PSL
37.437 ± 2025 #/cm³
Hintergrund nach PSL/vorNaCl
40.897 ± 1420 #/cm³
Konzentration während NaCl
46.435 ± 4270 #/cm³
Hintergrund nach NaCl
40.244 ± 1549 #/cm³
Christof Asbach 26
PSL Konz. – Hintergund = 591 #/cm³ <3*s è Nicht signifikant
Mittelwert Hintergrund NaCl 40,556 ± 1493 #/cm³
NaCl Konz. – Hintergund = 5879 #/cm³ >3*s è Signifikant
Mittelwert Hintergrund PSL 36,845 ± 4331 #/cm³
Hintergund vor PSL
32,794 ± 1120 #/cm³
Konzentration während PSL
37,437 ± 2025 #/cm³
Hintergrund nach PSL/vorNaCl
40,897 ± 1420 #/cm³
Konzentration während NaCl
46,435 ± 4270 #/cm³
Hintergrund nach NaCl
40,244 ± 1549 #/cm³
Auswertung basierend auf miniDiSC am Reaktor
Christof Asbach 27
Exposition
„[…] Speziell in der Medizin und Toxikologie steht Exposition für das Ausgesetztsein von Lebewesen gegenüber schädigenden Umwelteinflüssen wie Krankheitserregern, toxischen chemischen Elementen oder Verbindungen oder physikalischen Einflüssen wie Hitze, Lärm oder Strahlung. Ein Bergarbeiter beispielsweise ist gegenüber Steinstaub exponiert, ein Passivraucher gegenüber Zigarettenrauch. […]“ …und ein „Nanoarbeiter“ gegenüber Nanopartikeln…
Christof Asbach 28
Räumliche Verteilung der Exposition
1
23
41
23
4
Anzahl- konzentration
20 nm
20 nm 50 nm
50 nm
Mittlere Partikelgröße
Christof Asbach 29
Persönliche (individuelle) Exposition
• Persönliche Exposition eines individuellen Arbeiters kann räumlich variieren
• Persönliche Exposition muss im Atembereich des Arbeiters gemessen werden
• Atembereich definiert als 30 cm Halbkugel um Mund und Nase
• Erfordert personengetragene Monitore oder Sammler
• Nano-spezifische, personengetragene Monitore und Sammler sind erst seit sehr kurzer Zeit verfügbar EN 1540 Workplace Atmospheres – Terminology, CEN (1998)
Christof Asbach 31
Personal Sampler
Zefon Nanoparticle Respiratory Deposition (NRD) sampler
Dp50 = 4 µm
Dp50 = 0.3 µm
Cena et al., Env. Sci. Technol. 45: 6483–6490, 2011
Ziel: Nachstellen der Lungendeposition
Christof Asbach 32
Personal Sampler
C.J. Tsai et al., Env. Sci. Technol. 46: 4546-4552, 2012
Dp50 = 4 µm
Dp50 = 0.1 µm
Personal Nanoparticle Sampler (PENS) sampler (prototype)
Christof Asbach 33
Weight: 140 g
Personal Sampler
Thermalpräzipitator
• Homogene, nahezu größenunabhängige Deposition auf Siliziumsubstraten • Analyse der Größenverteilung und/oder chemischen Zusammensetzung mit REM/EDX
N. Azong-Wara et al., J. Nanopart. Res. 15:1530, 2013 N. Azong-Wara et al., J. Nanopart. Res. 11:1611, 2009
Christof Asbach 34
Partector (naneos)
üGröße einer Zigarettenschachtel
üMisst die lungendeponierbare Oberflächenkonzentration
üGrößenbereich (nominell) 10 nm – 10 µm
üBatteriezeit 8 h
Christof Asbach 35
miniDiSC/DiSCmini & NanoTracer
üBetrieb am Gürtel mit Probenahmeschlauch
üMisst die Anzahl- und lungendeponierbare Oberflächenkonzentration, mittlere Partikelgröße
Christof Asbach 36
Genauigkeit der persönlichen Monitore
Gute Genauigkeit (±30%) für
20-300 nm Partikel
Christof Asbach 37
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
LDSA
Con
cent
ratio
n [µ
m²/c
m³]
Worker 1 (Partector)Worker 2 (Partector)miniDiSC (Background)
max . ca. 6200 µm²/cm³
Persönliche Exposition in IUTA Pilotanlage
Einschalten des Rußpulverförderers in schlecht gedichteter Einhausung
In Büro
Christof Asbach 39
0
20
40
60
80
100
0.0E+00
2.0E+05
4.0E+05
6.0E+05
8.0E+05
1.0E+06
1.2E+06
Mea
n Pa
rtic
le S
ize [n
m]
Part
icle
Num
ber
Conc
entr
atio
n [#
/cm
³]
Personal exposure: particle number Background: particle number
Personal exposure: particle size Background: particle size
Personal exposure
K. Van Landuyt et al. (2014), Acta Biomaterialia 10: 365-374
Formgebung mit groben Polierscheiben Aufrauhen der Oberfläche mit
100 µm Diamatnschleifer (grob)
Formgebung mit Diamantschleifer und Polierscheiben
Christof Asbach 40
Freitag, 21.09.2012, ab ca. 15:30 Uhr
15:30 – 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 – 18:45: Fahrrad, IUTA – MSV Arena
Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende
Christof Asbach 41
Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende
Freitag, 21.09.2012, ab ca. 15:30 Uhr
15:30 – 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 – 18:45: Fahrrad, IUTA – MSV Arena 19:00 – 21:30: MSV Arena 21:30 – 22:10: Fahrrad, MSV Arena – Oberhausen
:
Christof Asbach 42
Freitag, 21.09.2012, ab ca. 15:30 Uhr
15:30 – 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 – 18:45: Fahrrad, IUTA – MSV Arena 19:00 – 21:30: MSV Arena 21:30 – 22:10: Fahrrad, MSV Arena – Oberhausen 22:10 – 22:45: Pizzeria Ca. 22:55: Ankunft zu Hause kontinuierliche Messung der Partikelanzahlkonzentration mit einem miniDiSC (im Rucksack, Schlauch nach außen)
:
Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende
Christof Asbach 43
Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende
1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
15:36:00 16:48:00 18:00:00 19:12:00 20:24:00 21:36:00 22:48:00
Anza
hlko
nzen
trat
ion
[#/c
m³]
Zeit
Büro
Büro
, offe
nes
Fens
ter
Fahr
rad
IUTA
-M
SV A
rena
Büro
, ge
schl
osse
nes
Fens
ter
Anku
nft S
tadi
on
vor S
piel
begi
nn
1. H
albz
eit
2. H
albz
eit
Paus
e
nach
Abpf
iff
Fahr
rad
MSV
Aren
a -O
B
Pizz
eria
Fahrrad aus Keller geholt
Würstchenstand
Christof Asbach 44
Zusammenfassung
• Erfassung der Exposition gegenüber luftgetragenen Nanopartikeln erfordert eine Differenzierung des Hintergrundes
• Eine Vielzahl an Messgeräte existiert, aber keines erlaubt eine Unterscheidung des Hintergrundes
• Jedes Messgerät ist ein Kompromiss • Expositionserfassung benötigt klare, aber pragmatische
Strategie • Exposition sollte bestenfalls im Atembereich gemessen
werden